朱記偉，徐小鈺，劉家宏，解建倉

(1 西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安710048；2 中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

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渭河平原2 205年旱澇災害發(fā)生規(guī)律及演變特征分析

朱記偉1，徐小鈺1，劉家宏2，解建倉1

(1 西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安710048；2 中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

【目的】 分析渭河平原旱澇災害的演變特征及趨勢，為區(qū)域防災減災措施的制定提供依據(jù)?！痉椒ā?基于旱澇災害史料，重建渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱澇災害等級序列，通過繪制旱澇災害等級圖譜，統(tǒng)計不同時間段災害的分布及持續(xù)性規(guī)律，并利用累積距平法、滑動T檢驗法結合小波分析法探究旱澇災害的階段性和周期性特征?！窘Y果】 2 205年內渭河平原共有796年發(fā)生了各類洪澇災害，旱災發(fā)生總頻次為480年,高于澇災的316年，且旱澇交替現(xiàn)象明顯，但近200年旱災的發(fā)生頻率有所下降，澇災則呈上升趨勢；2 205年中連旱災害發(fā)生總頻率高于連澇災害，但連澇災害的發(fā)生頻率在近300年有增強趨勢；旱澇災害序列可劃分為2個干旱期和2個洪澇期，且干旱期的最長持續(xù)時間為997年，遠高于洪澇期的484年；旱澇災害在全時間尺度上，存在24年、67～76年、92年和178～198年的顯著周期?！窘Y論】 渭河平原2 205年的歷史中，旱澇災害發(fā)生頻繁，且旱澇災害序列具有明顯的階段性和周期性。

旱澇災害；災害發(fā)生規(guī)律；災害演變特征；渭河平原

近年來受快速城市化和氣候變化加劇等因素影響，我國旱澇事件呈現(xiàn)頻發(fā)、廣發(fā)和急轉態(tài)勢，“旱澇并存、旱澇急轉”等極端氣候現(xiàn)象日漸凸顯，旱澇災害對人們的生產生活和社會經濟的發(fā)展造成了巨大影響，因此分析其演變規(guī)律及突變性、階段性，成為當前自然災害研究領域的熱點問題。兩大國際研究計劃——“過去全球變化”(PAGES)和“氣候變率與可預測性”(CLIVAR)都將歷史時期的旱澇災害時空變化列為其重點研究內容[1]。國外在旱澇災害的定量研究方面做出了很大貢獻，降水異常指數(shù)(Rainfall Anomaly Index，RAI)、帕爾默干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)、標準化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)、綜合干旱指數(shù)(Reconnaissance Drought Index，RDI)等眾多旱澇指標被建立并應用于災害規(guī)律研究中[2-6]。國內在災害史料的收集整理與匯編上也做出了較大貢獻，目前已擁有較為完整的歷史旱澇序列。早在1979年，王紹武等[7]就對我國近五百年的旱澇災害史料進行了分析整理，1981年中國氣象局氣象科學研究院主編了《中國近五百年旱澇分布圖集》[8]，其后張德二等[9-10]又兩次對其進行續(xù)補，將災害資料延續(xù)到2000年；基于此，2010年白虎志等[11]編制了《中國西北地區(qū)近500年旱澇分布圖集(1470-2008)》。通過史料對旱澇災害變化規(guī)律及演變趨勢的研究也有了較成熟的理論，如鄭景云等[12]研究了中國東部地區(qū)百年尺度寒冷時段和溫暖時段的旱澇格局變化，萬金紅等[13]分析了中國西北干旱地區(qū)旱澇特征，宋新山等[14]探究了黃淮海中下游地區(qū)旱澇災害演變規(guī)律。

渭河平原又稱關中平原，位于陜西省中部，地處溫帶半干旱、半濕潤氣候區(qū)，降水量年際變化大，年內分布不均，因此往往造成旱澇災害。目前，關于渭河平原歷史旱澇災害發(fā)生規(guī)律及演變特征的研究相對較少。文星等[15]采用旱澇等級和比值法分析了關中地區(qū)中世紀(AD900-AD1199年)的降水變化特征，但距今時間跨度大，不能對當前應對旱澇提供有效支持；周亞等[16]探究了關中地區(qū)1900-1949年旱澇災害時空特征，認為災害的發(fā)生具有階段性和交替性，但未對災害的演變趨勢進行分析。鑒于此，本研究基于史料，重建了渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱澇災害等級序列，并從災害發(fā)生頻率、分布規(guī)律、持續(xù)性、階段性、周期性等方面,對渭河平原旱澇災害發(fā)生規(guī)律及演變特征進行了較深入的分析，以期為制定區(qū)域長遠的防汛抗旱減災措施及合理規(guī)劃管理流域水資源提供支持，同時也為渭河平原歷史時期旱澇災害的研究提供借鑒。

1　資料與方法

1.1資料來源

渭河平原從西漢開始就有較豐富完整的旱澇災害史料，本研究BC193-AD1949年的旱澇災害資料以《陜西省自然災害史料》[17]記載為主，AD1949-AD1995年的旱災資料以《陜西省干旱災害年鑒(1949-1995年)》[18]資料為主，AD1961-AD2005年的洪澇災害資料以《渭河流域基本資料匯編》[19]為主，并參考《中國氣象災害大典·陜西卷》[20](BC193-AD2000年)及《中國西北地區(qū)近500年旱澇分布圖集(1470-2008)》[11]里面已有的西安、寶雞兩站1470-2008年的旱澇災害史料補充缺資料年份相關數(shù)據(jù)。AD2009-AD2012年的旱澇災害資料主要來自各年的《陜西水利年鑒》[21]和《陜西救災年鑒》[22]。《中國西北地區(qū)近500年旱澇分布圖集(1470-2008)》[11]中將旱澇等級按照5級劃分，考慮到將旱、澇災害分別用兩級定級不能很好地反映災害的相對嚴重程度，因此本研究在此基礎上結合渭河平原的實際情況，參考《氣象干旱等級》(GB/T 20481-2006)國家標準、《中華人民共和國水利行業(yè)標準——洪澇災情評估標準》(SL 579-2012)、《氣象災情收集上報調查和評估試行規(guī)定》(氣發(fā)(2005)96號文件)等相關規(guī)定，將旱澇災害劃分為特澇(旱)、重澇(旱)、輕澇(旱)和正常等7級(表1)。其中缺資料記載的年份，用“0”表示。

表 1　渭河平原旱澇災害等級劃分標準Table 1　Classification standards for droughts and floods in Weihe plain

1.2分析方法

1.2.1累積距平法通過累積距平曲線的升降趨勢可直觀判斷旱澇災害隨時間的變化。公式[23]為：

(1)

1.2.2滑動T檢驗法滑動T檢驗通過檢驗某一基準點兩側的兩段旱澇等級子序列均值有無明顯差異來尋找突變點。若檢驗結果超過一定的顯著性水平，則該基準點處有突變發(fā)生。定義統(tǒng)計量[23]：

(2)

(3)

1.2.3小波分析法小波分析是基于傅里葉變換的一種時頻分析法，能更好地分析旱澇災害序列的變化尺度和發(fā)生變化的時間位置。由于旱澇災害序列的演變是連續(xù)且具有多時間尺度的變化，因此本節(jié)中采用基于Morlet函數(shù)的連續(xù)復小波變換來分析[24]。旱澇災害等級函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換表示為：

(4)

(5)

Morlet小波函數(shù)及小波方差的計算可表示為：

ψ(t)=Ce-t2/2cos 5t，

(6)

式中，C為小波函數(shù)變化系數(shù)。

Var(a)=∑[ωf(a,b)]2。

(7)

2　結果與分析

2.1渭河平原旱澇發(fā)生規(guī)律

2.1.1旱澇災害等級圖譜整理旱澇災害史料，可知2 205年(BC193-AD2012年)中陜西省有旱澇災害記載的年份共有973年，渭河平原2 205年中共發(fā)生各類旱澇災害796年，發(fā)生頻率為39.10%(圖1)。其中，發(fā)生各類洪澇災害316年，平均每6.98年一遇；發(fā)生各類干旱災害480年，平均每4.59年一遇。就洪澇災害而言，2 205年中共發(fā)生特澇災害22年，平均100.23年一遇；發(fā)生重澇災害107年，平均20.61年一遇。就干旱災害而言，2 205年中共發(fā)生特旱災害28年，平均78.75年一遇；發(fā)生重旱災害119年，平均18.53年一遇。

圖 1　渭河平原2 205年旱澇災害等級序列圖譜Fig.1　Droughts and floods grade sequence in Weihe plain during past 2 205 years

此外，渭河平原旱澇災害持續(xù)時間長，災害強度大，特重旱、澇災害往往交替發(fā)生，如AD709-AD711年長達3年的重澇災害之后，發(fā)生了長達5年的干旱災害，其中重旱災害3年；AD1952-AD1954年3年的特重洪澇災害之后，AD1955年發(fā)生了特重干旱災害，AD1956-AD1959緊接著發(fā)生了2年特重洪澇災害和2年特旱災害。由此可見，渭河平原是一個旱澇災害頻發(fā)的地區(qū)，旱災較澇災發(fā)生頻率高，且旱澇交替現(xiàn)象明顯。

2.1.2旱澇災害時間分布特征統(tǒng)計渭河平原 2 205 年(BC193-AD2012年)中不同時間段(時間間隔為100年)上旱澇災害的發(fā)生情況，為消除歷史久遠資料記載缺乏的影響，計算各個時段不同等級的旱澇災害發(fā)生年份占本時間段有資料記載年份的比例，獲取旱澇災害發(fā)生頻率，結果見表2。從表2可知，不同時間段上不同等級旱澇災害的發(fā)生頻率不盡相同，但整體上干旱災害的發(fā)生頻率高于洪澇災害。AD1800年以前各時間段上干旱災害的發(fā)生頻率均高于洪澇災害，而AD1801-AD1900、AD1901-AD2012年洪澇災害的發(fā)生頻率則高于干旱災害。洪澇災害發(fā)生頻率較高的時段集中于AD1801-AD1900、AD1901-AD2012、AD801-AD900年，其中特、重級洪澇災害在AD1901-AD2012、AD1-AD100、AD1801-AD1900年發(fā)生較頻繁；干旱災害發(fā)生頻率較高的時段集中于BC101-BC193、BC1-BC100、AD301-AD400、AD501-AD600、AD1-AD100年，其中特、重級干旱災害在AD101-AD200、AD201-AD300、AD401-AD500年發(fā)生較頻繁。由此可推斷，渭河平原近200年干旱災害的發(fā)生頻率有下降趨勢，洪澇災害的發(fā)生頻率有上升趨勢。

2.1.3旱澇災害的持續(xù)性旱澇災害的持續(xù)發(fā)生往往帶來較大的災害性影響，因此，對旱澇災害的持續(xù)性進行研究，對于旱澇災害的應對與預警具有重要意義。所謂旱澇災害的持續(xù)性，就是對干旱或洪澇災害持續(xù)出現(xiàn)2年或2年以上就記為發(fā)生一次連旱或連澇事件?？紤]到資料記載的不均勻性，本研究取表2中資料完整性高于30%的時間段用于旱澇災害持續(xù)性的分析。由于時間序列較長，為簡化分析過程，本研究對渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱澇災害以300年為時間尺度進行持續(xù)性分析，分為AD601-AD900、AD901-AD1200、AD1201-AD1500、AD1501-AD1800、AD1801-AD2012共5個階段，分別統(tǒng)計干旱、洪澇災害持續(xù)發(fā)生的年數(shù)占有資料記載年份的比例，結果見圖2。由圖2可知，2 205年中渭河平原連旱災害發(fā)生總頻率高于連澇災害，這與宋新山等[14]提出的黃河流域中游地區(qū)總體上以偏旱和干旱多發(fā)為主的結果相符。

表 2　渭河平原2 205年中不同時間段旱澇災害等級分布頻率Table 2　Droughts and floods grade distribution frequency in Weihe plain at different periods during past 2205 years　%

2 205年中發(fā)生各類連旱災害事件的平均頻率達到69.036%，各類連澇災害事件的平均頻率達到 56.354%。持續(xù)2年災害事件發(fā)生最多，其中2年連旱災害發(fā)生的平均頻率達到38.307%，2年連澇災害的平均頻率達到28.458%；其次是持續(xù)3年災害事件，其中3年連旱災害發(fā)生平均頻率達到 17.095%，3年連澇災害的平均頻率達到12.206%。干旱災害持續(xù)最長時間達到7年，洪澇災害持續(xù)時間最長達到10年。就不同的時間分布而言，在AD1201-AD1500、AD1501-AD1800、AD1801-AD2012年3個時間段上各類持續(xù)干旱災害的發(fā)生頻率幾乎相等，持續(xù)洪澇災害在AD1801-AD2012年的持續(xù)性和發(fā)生頻率均發(fā)生較大的增長，且大于AD1801-2012年持續(xù)干旱災害的發(fā)生頻率，其余時間段持續(xù)洪澇災害的發(fā)生頻率都小于持續(xù)干旱災害。由此可見，持續(xù)洪澇災害的發(fā)生頻率在最近300年有增強的趨勢。

圖 2　渭河平原2 205年中旱澇災害持續(xù)性的分析 正頻率表示持續(xù)干旱災害的發(fā)生，負頻率表示持續(xù)洪澇災害的發(fā)生Fig.2　Droughts and floods sustainability analysis in Weihe plain during past 2 205 years Positive frequencies stand for the occurrence of continuous droughts and negative frequencies stand for occurrence of continuous floods

2.2渭河平原旱澇演變規(guī)律

2.2.1旱澇災害的階段性為了解渭河平原旱澇災害變化的階段性，進一步分析渭河平原旱澇災害的變化趨勢，基于累積距平法進行統(tǒng)計分析，并采用101年滑動平均分析法消除短于滑動長度的周期，以更好地體現(xiàn)旱澇災害變化曲線的趨勢性，并繪制圖3。在圖3中，曲線上升代表該時期災害以干旱為主，曲線下降代表該時期災害以洪澇為主。利用曲線的升降趨勢，結合滑動T檢驗法，對相鄰兩段不同變化趨勢的曲線進行差異性判定。由T檢驗法分析可知，在t統(tǒng)計量P<0.01顯著性水平時，存在AD804、AD868、AD1529年 3個突變點，在突變點AD804、AD1529年處呈現(xiàn)從干旱期向洪澇期的轉變，在突變點AD868年處呈現(xiàn)從洪澇期向干旱期的轉變。據(jù)此可將渭河平原旱澇災害劃分為BC193-AD804(持續(xù)997年)、AD869-AD1529(持續(xù)661年)年2個以旱為主時期和AD805-AD868(持續(xù)64年)、AD1529-AD2012(持續(xù)484年)年2個以澇為主的時期，干旱期的持續(xù)時間遠高于洪澇期的持續(xù)時間，其中干旱期最長持續(xù)時間達到997年，洪澇期最長持續(xù)時間達到484年。

圖 3　渭河平原2 205年中旱澇災害累積距平曲線及101年滑動平均曲線Fig.3　Cumulative anomaly curve and moving average curve by 101 years of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

2.2.2旱澇災害的周期性為充分反映隱藏在旱澇災害等級序列中的周期特性，本研究采用小波變換法分析渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)中旱澇災害的演變特征?；?.2.3節(jié)中式(4)-(6)，計算連續(xù)小波變換系數(shù)的實部，并繪制旱澇災害等級序列小波分析圖，結果如圖4所示。為便于觀察分析，本研究用不同的顏色區(qū)分不同計算值，正值表示旱災，負值表示澇災。

圖 4　渭河平原2 205年中旱澇災害等級序列的小波分析圖Fig.4　Wavelet analysis of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

從圖4可知，渭河平原2 205年(BC193-AD2012年)的旱澇災害演變存在明顯的多時間尺度特征。在全時間尺度上，存在24年、67～76年、92年和178～198年的顯著周期。其中24年、92年的周期尺度與太陽黑子的22年和 80～120年的周期尺度分別對應，可推斷太陽黑子的活動對渭河平原旱澇災害的頻發(fā)存在一定的影響；且24年的周期尺度與朱亞芬[25]、許靖華等[26]提出的中國北方存在20～30年的旱澇變化周期相對應，可見渭河平原的旱澇災害與北方地區(qū)旱澇災害的發(fā)生具有一定的一致性。BC193-AD70年存在24年、67～76年、118～134年、154年和178～198年的高頻周期振蕩；AD71-AD270年存在155～168年和198年的高頻周期振蕩；AD271-AD640年存在24年、45年和178-198年的高頻周期振蕩；AD641-AD1160年存在24年、67～76年、92年和178～198年的高頻周期振蕩；AD1431-AD2012年存在92年和198年的高頻周期振蕩。

小波方差圖可直觀反映旱澇災害等級序列波動能量隨時間尺度的變化，準確診斷出多長周期的振動最強，有利于確定旱澇演變的主周期[13,23]。從圖5可知，2 205年中渭河平原的旱澇災害等級序列主要存在3個較明顯的峰值，即24年、92年和198年的時間尺度，這與小波變換分析中全時間尺度上的周期尺度幾乎對應。其中最大峰值出現(xiàn)在198年的時間尺度上，說明198年的時間尺度是渭河平原地區(qū)旱澇災害演變的第一主周期；92年和24年的時間尺度分別對應第二峰值和第三峰值，表明92年和24年分別是渭河平原地區(qū)旱澇災害演變的第二主周期和第三主周期。

圖 5　渭河平原2 205年中旱澇災害等級序列小波方差圖Fig.5　Wavelet variance of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

3　結　論

1)渭河平原2 205年中發(fā)生各類旱澇災害的年份共有796年，其中發(fā)生洪澇災害316年，發(fā)生干旱災害480年，干旱災害發(fā)生頻率高于洪澇災害，且旱澇交替現(xiàn)象明顯。

2)2 205年中，渭河平原不同時間段上不同等級旱澇災害的發(fā)生頻率不盡相同。澇災集中發(fā)生于AD1801-AD1900、AD1901-AD2012和AD801-AD900年；旱災集中發(fā)生于BC101-BC193、BC1-BC100、AD301-AD400、AD501-AD600和AD1-AD100年。近200年旱災發(fā)生頻率有下降趨勢，澇災則表現(xiàn)出上升趨勢。

3)2 205年中渭河平原連旱、連澇災害頻繁，持續(xù)2年災害事件發(fā)生最多。干旱災害持續(xù)最長時間達到7年，洪澇災害持續(xù)最長時間達到10年。連旱災害發(fā)生的平均頻率(69.036%)高于連澇災害(56.354%)，但連澇災害的發(fā)生在最近300年有增強趨勢。

4)渭河平原2 205年中旱澇災害演變具有明顯的階段性。旱澇災害序列可劃分為BC193-AD804、AD869-AD1529年 2個干旱期和AD805-AD868、AD1529-AD2012年2個洪澇期。且干旱期的最長持續(xù)時間(997年)遠高于洪澇期(484年)。

5)渭河平原2 205年內的旱澇災害演變存在明顯的多時間尺度特征。在全時間尺度上，存在24年、67～76年、92年和178～198年的顯著周期，且198年的時間尺度是渭河平原地區(qū)旱澇災害演變的第一主周期。

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Occurrence regularity and evolution characteristics of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years

ZHU Jiwei1,XU Xiaoyu1,LIU Jiahong2,XIE Jiancang1

(1StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038,China)

【Objective】 This study analyzed the evolution feature and tendency of droughts and floods in Weihe plain to provide basis for regional disaster prevention and mitigation.【Method】 Based on historical materials, the grade sequence of droughts and floods in Weihe plain during past 2 205 years (BC193-AD2012) was reconstructed.By drawing sequence map of droughts and floods,the occurrence frequency and sustainability were statistically analyzed.Accumulative departure method,T-test method and wavelet analysis method were also used to analyze the periodic features of droughts and floods.【Result】 There were a total of 796 years with droughts and floods in Weihe plain during the past 2 205 years.Draughts (480) were more frequent than floods (316) and they occurred alternatively.There were a decreasing tendency in the occurrence frequency of droughts and a increasing tendency of floods in recent 200 years.The occurrence frequency of continuous droughts was higher than that of continuous floods,although the latter had an increasing trend in recent 300 years.The sequence was divided into two drought-centered stages and two flood-centered stages,and the longest duration of drought period (997 years) was far larger than that of flood period (484 years).There were significant cycles of 24 years,67-76 years,92 years and 178-198 years in the whole time scale.【Conclusion】 Drought and floods occurred frequently in Weihe plain during past 2 205 years with significant periodicity.

droughts and floods;disaster occurrence regularity;disaster evolution characteristics;Weihe plain

時間:2016-09-0709:03DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.028

2015-07-20

中國工程院重大咨詢項目“我國旱澇事件集合應對戰(zhàn)略研究”(2012-ZD-13)；國家自然科學基金項目“支持最嚴格水資源管理業(yè)務應用的服務模式研究與實現(xiàn)”(51209170)；陜西省自然科學基礎研究計劃項目“關中地區(qū)旱澇災害演變特征及多事件相關性分析”(2016JQ5061)

朱記偉(1982-)，男，山東日照人，副教授，博士，主要從事水資源管理與決策支持研究。E-mail：zhujiwei@xaut.edu.cn

徐小鈺(1989-)，女，四川成都人，在讀碩士，主要從事流域水資源管理與防災減災研究。E-mail:xautxxy@163.com

P426.616

A

1671-9387(2016)10-0199-08

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160907.0903.056.html